DQZHAN技術(shù)訊：智能電網(wǎng)建設(shè)中的繼電保護(hù)技術(shù)
從智能電網(wǎng)定義、建設(shè)及繼電保護(hù)作用入手，討論了智能電網(wǎng)建設(shè)過程中影響繼電保護(hù)裝置的關(guān)鍵因素，具有重要意義。
關(guān)鍵詞： 智能電網(wǎng);繼電保護(hù);智能感應(yīng)
中圖分類號(hào): TM773
Relay Protection Technology in Constructing Smart Grid
LIN Ze-yuan
(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co., Ltd., Jinan 250013, Shandong, China)
Abstract: Starting from the definition and construction of smart grid, and the role of relay protection, discusses the key factors affecting relay protection devices in the process of constructing smart grid, which is of important significance.
Keywords: smart grid; relay protection; smart induction
0引言
隨著國網(wǎng)公司智能電網(wǎng)建設(shè)工作的開展，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、微網(wǎng)運(yùn)行等技術(shù)及分布式電源接入等問題也相應(yīng)出現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)階段的繼電保護(hù)提出了新要求。同時(shí)，伴隨智能電網(wǎng)出現(xiàn)的新技術(shù)，如新型傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及光纖通信技術(shù)等的應(yīng)用也為繼電保護(hù)裝置的發(fā)展提供著廣闊空間。
1智能電網(wǎng)及建設(shè)
1.1智能電網(wǎng)定義
智能電網(wǎng)即Smart Grid，亦被稱做智能網(wǎng)或智能網(wǎng)格。其定義為：以傳統(tǒng)物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，超高壓和特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，高度集成現(xiàn)代先進(jìn)的通信計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感測量技術(shù)、信息技術(shù)及控制技術(shù)，形成現(xiàn)代新型智能化電網(wǎng)。智能電網(wǎng)中使用智能傳感器進(jìn)行整個(gè)電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如對(duì)發(fā)、輸、配、供、用各個(gè)環(huán)節(jié)電力設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且通過智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整合收集獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)智能化處理，其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的兼容利用及對(duì)相關(guān)綠色能源的替代。
1.2 智能電網(wǎng)的建設(shè)
智能電網(wǎng)建設(shè)是一項(xiàng)十分復(fù)雜巨大的工程，要考慮到各方面因素，難度非常大。現(xiàn)代電力系統(tǒng)主要由以下4個(gè)環(huán)節(jié)，即發(fā)電環(huán)節(jié)、輸電環(huán)節(jié)、配電環(huán)節(jié)、供電環(huán)節(jié)和用電環(huán)節(jié)，可以將智能電網(wǎng)的建設(shè)過程看作對(duì)已有電力系統(tǒng)進(jìn)行能源體系智能化和動(dòng)態(tài)化改造的過程。
2 傳統(tǒng)繼電保護(hù)及其重要作用
電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置用于在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)地、快速地且有選擇地將系統(tǒng)中故障設(shè)備切除，從而保證其它無故障設(shè)備的正常運(yùn)行及避免故障設(shè)備繼續(xù)遭到破壞;當(dāng)系統(tǒng)處于不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，繼電保護(hù)裝置可以發(fā)出報(bào)警，使值班人員采取相關(guān)有效措施。
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，電源處潮流流向是單向的。繼電保護(hù)設(shè)備中的輸入通常是本側(cè)電氣量，包括：三相電流Ia、Ib和Ic，以及三相電壓Ua、Ub和Uc。保護(hù)裝置通過判別上述電氣量，進(jìn)行動(dòng)作以滿足相關(guān)保護(hù)要求。對(duì)于較復(fù)雜線路光纖差動(dòng)保護(hù)而言，其輸入量為被保護(hù)線路對(duì)側(cè)電流。可以看出，傳統(tǒng)繼電保護(hù)電氣判別量基本上不變，并且只需本側(cè)保護(hù)對(duì)象電氣量[1]。其示意圖見圖1。
3 智能電網(wǎng)中的影響繼電保護(hù)的關(guān)鍵因素
智能電網(wǎng)繼電保護(hù)在原理上與常規(guī)微機(jī)保護(hù)差別不大，其主要發(fā)展在于保護(hù)二次回路變化。保護(hù)二次回路運(yùn)用了一系列影響智能電網(wǎng)繼電保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)和因素，例如基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和電子式互感器的應(yīng)用、智能一次設(shè)備的出現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用及自動(dòng)化系統(tǒng)總體架構(gòu)。這幾個(gè)因素實(shí)際上互相關(guān)聯(lián)，不能割裂，以下作詳細(xì)介紹。
3.1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)本身并非繼電保護(hù)專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但由于該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變電站功能架構(gòu)、通信體系和自動(dòng)化系統(tǒng)帶來巨大變化及其廣泛影響力，繼電保護(hù)不可避免受到其深刻影響。
3.2 電子式互感器
電子式互感器是國際電工委員會(huì)對(duì)各種新型非常規(guī)或半常規(guī)、光電轉(zhuǎn)換原理或電磁感應(yīng)原理電流互感器或電壓互感器的統(tǒng)稱。其對(duì)繼電保護(hù)的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面：a) 互感器傳變性能的提升，主要是抗飽和能力提升，改善繼電保護(hù)的工作條件;b) 互感器輸出信號(hào)數(shù)字化，引起保護(hù)裝置采樣方式的變化;c) 采樣環(huán)節(jié)的移出，使得保護(hù)裝置自身不能控制采樣時(shí)刻，測量頻率跟蹤方法只能采用軟件算法。
從智能電網(wǎng)繼電保護(hù)的實(shí)施情況來看，后兩方面對(duì)繼電保護(hù)的影響更為明顯。
3.3 一次設(shè)備智能化
智能一次設(shè)備中，對(duì)繼電保護(hù)影響*大的是智能斷路器。目前斷路器智能化的實(shí)現(xiàn)方式為：傳統(tǒng)斷路器+智能終端。智能終端的出現(xiàn)帶來以下變化：a) 改變了斷路器操作方式，斷路器操作箱回路及繼電器被數(shù)字化、智能化，功能通過軟件邏輯實(shí)現(xiàn);b) 保護(hù)裝置的跳合閘輸出方式和閉鎖、啟動(dòng)信號(hào)輸入方式均由常規(guī)硬接點(diǎn)、電纜連接改變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過光纖、以太網(wǎng)交換機(jī)連接。
3.4 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)
智能變電站將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入自動(dòng)化系統(tǒng)，出現(xiàn)了站控層/間隔層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。其中，過程層網(wǎng)絡(luò)包括GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)，GOOSE網(wǎng)主要用于保護(hù)裝置之間的聯(lián)閉鎖信息交互、保護(hù)裝置與智能終端跳合閘命令傳遞和開關(guān)位置信息采集;SV網(wǎng)用于傳輸電氣量采樣值。不難看出，過程層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況對(duì)保護(hù)裝置保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)具有重要影響。
3.5 自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)
作為自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分，繼電保護(hù)受體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響較大[2]。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅影響保護(hù)裝置的接口要求，更重要的是從整體上影響保護(hù)裝置配置、功能實(shí)現(xiàn)方式、運(yùn)維方式及運(yùn)行**、可靠性。
4 智能電網(wǎng)中的繼電保護(hù)相關(guān)問題
對(duì)智能電網(wǎng)的規(guī)劃和發(fā)展，很大程度上改變了傳統(tǒng)電能傳輸?shù)哪承┨攸c(diǎn)，智能電網(wǎng)信息化和數(shù)字化的特征，使得智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)有了非常大的區(qū)別，而繼電保護(hù)作為智能電網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，也需緊跟智能電網(wǎng)發(fā)展步伐，與時(shí)俱進(jìn)進(jìn)行相關(guān)研究工作。
4.1 網(wǎng)絡(luò)化改變了繼電保護(hù)的配置形態(tài)
智能電網(wǎng)采用IEC61850網(wǎng)絡(luò)的智能變電站，它的采用使傳統(tǒng)繼電保護(hù)信息獲取和信號(hào)發(fā)送的媒介發(fā)生了改變。智能電網(wǎng)一個(gè)前沿性問題是利用共享的站內(nèi)相關(guān)電氣元件信息，對(duì)主保護(hù)性能進(jìn)行改善和提高，同時(shí)，采用共享控制信號(hào)網(wǎng)絡(luò)簡化繼電保護(hù)配置[3]。可是，智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化帶來共享信息的同時(shí),也需要考慮信息傳輸?shù)目煽啃院?*性。區(qū)別于傳統(tǒng)二次電纜的傳輸方式，必須要保證傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性，因此，如何保證保護(hù)配置的可靠，是數(shù)字化變電站條件下網(wǎng)絡(luò)化二次回路的關(guān)鍵問題。
4.2 提高**自動(dòng)裝置性能
智能電網(wǎng)中的PMU和WAMS網(wǎng)絡(luò)，可以為電力系統(tǒng)廣域信息提高防御和緊急控制。如此，使得智能電網(wǎng)可以使用其已建成的網(wǎng)絡(luò)，改善時(shí)間敏感性不強(qiáng)的后備保護(hù)及**自動(dòng)裝置的性能，同時(shí)可以改變現(xiàn)有保護(hù)的整定原則，使得在某些情況下，保護(hù)裝置可以及時(shí)自動(dòng)判斷系統(tǒng)故障，同時(shí)采取措施，避免大停電等惡性事故的發(fā)生。
4.3 與傳統(tǒng)保護(hù)的配合
智能電網(wǎng)規(guī)劃過程及建成后，必須要考慮與傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)及數(shù)字化變電站內(nèi)保護(hù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)配合和協(xié)作問題，需要考慮類型不同的保護(hù)之間的協(xié)調(diào)配合，主要有：a) 線路采用差動(dòng)保護(hù)時(shí)，線路一側(cè)采用電磁式電流互感器，而另一側(cè)采用電子式互感器，這樣，區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，電磁式電流互感器側(cè)有可能會(huì)有單端飽和現(xiàn)象發(fā)生，所以線路兩端的差動(dòng)保護(hù)必須可以判段單端飽和并且防止保護(hù)誤動(dòng);b) 原有線路差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步算法的基礎(chǔ)是兩側(cè)都是模擬式互感器，這樣便會(huì)存在兩側(cè)不同互感器數(shù)據(jù)類型是否同步的問題，需要進(jìn)行新保護(hù)算法的研究。
4.4 在線整定技術(shù)
自適應(yīng)保護(hù)的思想在繼電保護(hù)領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，限于之前的技術(shù)條件，傳統(tǒng)的自適應(yīng)保護(hù)僅能根據(jù)被保護(hù)線路運(yùn)行情況對(duì)定值進(jìn)行調(diào)整，不能利用全網(wǎng)信息準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地判斷運(yùn)行方式來調(diào)整定值[4]。智能電網(wǎng)的發(fā)展有望改變這一現(xiàn)狀，從而實(shí)現(xiàn)在線整定。
5 結(jié)語
智能電網(wǎng)建設(shè)作為電力系統(tǒng)的一次重大變革，是電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，而繼電保護(hù)裝置是促使智能電網(wǎng)正常工作的保障，是維護(hù)其**、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此，本文從智能電網(wǎng)定義、特點(diǎn)、建設(shè)及繼電保護(hù)作用入手，討論了智能電網(wǎng)建設(shè)過程中繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，包括智能感應(yīng)技術(shù)、廣域測量技術(shù)、仿真分析與控制決策技術(shù)、電力電子技術(shù)等，接著對(duì)智能電網(wǎng)中繼電保護(hù)裝置的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討，對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)過程中影響繼電保護(hù)裝置的關(guān)鍵因素和需關(guān)注的相關(guān)問題進(jìn)行了探討和分析，有助于為智能電網(wǎng)的建設(shè)工作和**運(yùn)行提供技術(shù)支撐，具有重要意義。
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